基于物联网灯光控制系统——组网设计

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1、毕业设计说明书设计题目: 基于物联网的灯光控制系统 组网设计 专 业: 物联网应用技术 班 级: 物联网XX 学 号: 姓 名: 指导教师: 二 O 一四年十二月二十日设计内容： 课题简介：以道惟尔公司 CC2430 无线传感器节点和光照传感器模块为载体，基于 IAR 和 VS2010 开发环境，设计一个灯光控制系统，实现对道路灯光亮灭进行控制，并接受上位机监控命令。主要任务：（1）传输层 WSN 组网程序与透明传输层程序开发；（2）撰写设计报告。 主要技术要求如下：（1）采用模块化设计思想规划各子程序功能；（2）无线传感器网络通讯的 基本数据帧格式为：帧头、父节点地址、源节点地址、数据长度、

2、数据、帧尾。(3)CC2430 协调器与 PC 串口通讯的基本数据帧格式为：帧头、功能码、数据长度、数据、帧尾；(4)传输层应实现透明传 输。 进度安排： 1. 任务分解，收集有关资料并消化吸收-2 周； 2. 制定设计方案-1 周； 3. 软件设计-6 周； 4. 撰写设计报告-2 周； 5. 准备毕业答辩。主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)： 1 陈林是.无线传感器网络技术与应用.电子工业出版社，2009 2 高守玮，吴灿阳.ZigBee 技术实践教程.北京航空航天大学出版社，2009 3 李文件，段如玉.ZigBee 无线网络技术入门与实战.北京航空航天大学出版社，

3、2007 4 金纯，罗祖秋，罗氏，陈前试.ZigBee 技术基础及案例分析.国防工业出版社，2008 5 黄嘉辉.C#.NET 网络程序设计.科学出版社，2004 6 厉小军.信息技术基础.浙江大学出版社，2005 7 郭渊博，杨魁武，赵俭.ZigBee 技术与应用CC2430 设计、开发与实践.国防工业出版社， 2010审 批 意 见教研室负责人：年 月 日I目 录摘 要 1第 1 章 概 述 .2第 2 章 系统组成与功能 32.1 系统组成.32.2 本系统涉及的主要功能4第 3 章 系统通讯协议规划 63.1 系统运行流程63.1.1 注册网络 63.1.2 获取网络参数 63.1.3

4、 下发控制指令 73.2 通信协议规划73.2.1 规划原则 83.2.2 WSN 网络结构.83.2.3 通信协议 9第 4 章 WSN 无线网络软件开发与测试134.1 无线传感器网络（WSN）简介134.1.1 无线传感器网络概念 .134.1.2 数据结构设计 .134.2 基于 Z-Stack 协议栈应用程序的开发.144.2.1 网络拓扑选择 .144.2.2 Z-Stack 无线网络运行的基本流程144.3 基于 ZigBee2006 的无线传感网组网编程164.3.1 ZigBee 无线网络的工作过程流程图.164.3.2 函数调用类任务 .164.3.3 WSN 点对点发送数

5、据函数19II4.3.4 协调器把从串口接受的 PC 数据转发给下级节点函数 21第 5 章 Server 服务端软件开发与测试.235.1 三层架构程序设计简介.235.2 CC2430 终端节点对灯组的控制 I/O 口的分配关系 24总 结 .25致 谢 .26参考文献 .27附录一 .28第 1 页摘 要目前现有的城市路灯控制系统大多采用有线连接的方式，系统成本高、功耗大、施工复杂，而且存在能源浪费、后期维护困难等问题。针对以上缺点以道惟尔公司CC2430 无线传感器节点和光照传感器模块为载体，基于 IAR 和 VS2010 开发环境，设计一个模拟道路灯光控制系统，实现对道路灯光亮灭进行

6、控制，并接受上位机监控命令。该系统采用了无线传感器网络和 ZigBee 技术，无线传感器网络是一种集无线通信、数据采集和信息处理功能于一体的新兴网络。ZigBee 技术是无线传感器网络中最具代表性的一种新兴技术，具有低成本、低功耗等特点。将 ZigBee 技术应用于城市路灯控制系统，将有利于实现路灯控制系统的智能化和节能化。关键词 CC2430 无线传感器网络 ZigBee第 2 页第 1 章 概 述在道路灯光控制中，为了实时地控制不同道路灯光的亮灭，需要一个分布式多点道路灯光控制系统。传统的多点分布式道路灯光控制系统多采用有线传输方式，然而随着分布式节点的不断增加，系统的布线复杂度和成本也就

7、极具增加，这给系统的设计、维护和升级带了许多不便。如何解决有线网络带来的诸多不便已成为当下研究的热点。无线传感器网络(WSN)具有自组织、可快速部署、屏蔽性强、无人值守等优点。随着射频技术、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现越来越容易，数据传输速率也越来越快，并且逐渐达到可以与有线网络相媲美的水平。本设计旨在设计一种基于物联网的模拟道路灯光控制系统，用以实现对多个分散节点的灯光亮灭控制。采用模块化设计，无论是硬件还是软件，各个分层间结构清楚。在技术架构上，将感知、传输、应用分离，采用感知控制层、传输通信层、应用服务层三层架构设计。第 3 页第 2 章 系统组成与功能2.1 系统组成本系统以

8、模拟智能交通为载体，它由感知层子系统、传输层子系统、应用层子系统三个部分组成，如图 2-1 所示。图 2-1 灯光系统组成图 2-1 中，感知层子系统由开关量控制节点和模拟量控制节点等两类节点组成。其中，灯光控制节点、电源控制节点三类是开关量控制节点。传输层子系统是基于 CC2430 的 ZigBee 无线传输网。所有感知层节点的控制指令均由应用层子系统通过通过串口下发给 CC2430 协调器，再由后者通过 ZigBee 无线网络下发给 CC2430 终端节点。第 4 页2.2 本系统涉及的主要功能1.功能描述 智能灯光控制：用户可以根据需要控制沙盘里的任意灯光。WSN 软件开发智能灯光控制系

9、统：系统能根据用户需要控制实时传回数据信息。1）软启功能：灯光的渐亮渐暗功能，能让眼睛免受灯光骤亮骤暗的刺激，同时还可以延长灯具的使用寿命。2）按节点控制灯光：控制某一节点灯光的亮灭状态，达到节能和便于管理的功效。3）按区域控制灯光：控制某一区域灯光的亮灭状态，使灯光更富人情味、成本低且便于管理。4）开关联合：轻松实现某节点或某区域所有灯光的一键的全关和全闭功能，触摸集中控制，使用更加方便。2.控制功能如下：本系统（基于物联网的灯光控制系统）是一个模拟城市道路灯光控制的系统，模拟该系统的沙盘有 6 条道路，如图 2-2 所示，每条道路上的路灯由若干组灯组组成，每组灯组通过控制单元与 CC243

10、0 节点板相应端口连接。本模拟系统的道路灯光分别由 0803 和 0804 两块节点板的 P1 端口控制，这样不仅可以控制单组灯组，还可以控制指定的范围内所有灯组。例如现需要对太阳路偶数灯控制，只需要对该组灯组对应的0803 节点板 P1.3 端口输出高低电平来进行控制。若要对太阳路整条路进行同时控制，就需要对 0803 节点板的 P1.3 端口和 P1.6 端口同时输出高低电平来进行同时控制。以此类推，通过端口分配来实现对整条道路或者道路某一部分灯组的控制，端口分配见表 2-1。银河大道星光大道太阳路月亮路水星路滨河路北图 2-2 道路分布图第 5 页表 2-1 端口分配 0803P1.5星

11、光大道南侧奇数灯0xFB P1.0星光大道北侧偶数灯 P1.3星光大道北侧奇数灯星光大道0804 P1.6星光大道南侧奇数灯0x6DP1.3太阳路偶数灯太阳路0803P1.6太阳路奇数灯0xED0803P1.4滨河路奇数灯0xF7滨河路0804P1.2滨河路偶数灯0xDF 月亮路0804P1.5月亮路0xFB P1.1水星路奇数灯水星路0803P1.7水星路偶数灯0xBEP1.0银河大道南侧偶数灯0803P1.2银河大道北侧偶数灯0x5FP1.1银河大道南侧奇数灯银河大道 0804P1.4银河大道北侧奇数灯0xB7第 6 页第 3 章 系统通讯协议规划3.1 系统运行流程道路灯光控制系统的运行

12、主要包括注册网络、获取网络参数、下发控制指令等三方面的操作。在道路灯光控制系统中服务器与 CC2430 协调器之间是通过串口进行通信，两者之间是需要使用统一的波特率、并按指定帧格式收发数据。CC2430 协调器与 CC2430终端节点之间是通过 ZigBee 无线网络通信的，需要物理地址和网络地址。CC2430 终端节点是通过普通 I/O 口将控制命令转化为控制模块（执行机构）的驱动信号的。3.1.1 注册网络系统启动后，CC2430 协调器首先建立无线网络，终端节点在发现网络后，会主动加入网络，并上传网络参数（物理地址、网络地址、节点类型等） 。注册网络的流程如图 3-1 所示。图 3-1

13、注册网络运行流程 3.1.2 获取网络参数系统运行中，为及时发现掉线节点，系统会周期性去询问节点，要求返回网络参第 7 页数。获取网络参数的流程如图 3-2 所示。图 3-2 获取网络参数运行流程 3.1.3 下发控制指令当需要改变各被控对象的运行状态时，系统就需要下发各类控制指令，其流程如图 3-3 所示。图 3-3 下发控制指令运行流程 3.2 通信协议规划通讯协议是指连接不同操作系统和不同硬件体系结构的互联网络提供通信支持，是一种网络通用语言。在本设计系统中，小灯的亮灭存在三方面的通讯。为了满足协调器与 CC2430 终端节点的通讯因此制定了“协调器与 CC2430 终端节点的串口通讯协

14、第 8 页议“，为满足各小灯的 CC2430 终端节点与 CC2430 协调器的 WSN 通讯从而制定了“各小灯的 CC2430 终端节点与 CC2430 协调器的 WSN 通讯协议”,为了使 PC 机与无线传感器网络协调器之间能够通讯因此制定了“PC 机与 CC2430 协调器的通讯协议”。3.2.1 规划原则1）透明传输，将控制与传输分离。2）ZigBee 无线网支持广播、点对点通信。3.2.2 WSN 网络结构1.WSN 类型节点 1）协调器（Coordinator） 在无线传感网络中，有且只有一个协调器节点，它负责选择网络所使用的频率通道、建立网络并将其他节点加入网络、提供信息路由、安

15、全管理和其他服务。 3）传感器节点（Sensor） 传感器节点的主要任务就是发送和接收信息，通常一个终端节点处在数据收发状态时可进入休眠状态以降低能耗。 2. 网络拓扑选择本系统的无线网络基于 Z-Stack 协议栈完成，由于控制点不多、分布范围较窄，故采用星形网络拓扑结构，如图 3-4 所示。图 3-4 星形网络拓扑第 9 页3.2.3 通信协议协议的规划应采用分层方式实施，以便明确边界。对于本系统而言，整个协议从下自上为分三层，如图 3-5 所示。图 3-5 自定义协议的层次结构 1）网络间传输数据流的特点。表 3-1 数据流特点序号链路 方向数据流功能数据流大小数据流内容注册网络（1-1）=24B源节点物理地址（8B） 源节点网络地址（2B） 源节点的节点类型（3B） 父节点物理地址（8B） 父节点网络地址（2B） 目标节点提取的链路质量 （1B）上传网络参数 （2-4）=24B源节点物理地址（8B） 源节点网络地址（2B） 源节点的节点类型（3B） 父节点物理地址（8B） 父节点网络地址（2B） 目标节点提取的链路质量 （1B）1上行上传执行结果 （3-5）=11B源节点物理地址（8B） 源节点网